物质分离的思维模型建构及其应用建议

陈键 胡志刚

摘要： 基于“将混合物状态组合转化为可直接分离的状态组合”的核心思路，建构有别于传统的“物质分离的思维模型”，其中包含“原状态组合-直接分离方法”对应表以及“原状态组合-转化方法”对应表。并提出“物质分离的思维模型”的应用建议，以提高学生应用“物质分离的思维模型”解决相关问题的能力，发展“模型认知”“科学探究”等化学学科核心素养。

关键词： 状态组合转化； 物质分离； 思维模型； 条件性知识

文章编号： 1005-6629（2023）04-0091-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

物质分离对于化学科学研究及化工生产具有重要的价值［1］，是中学化学实验教学的核心内容。对于物质分离的核心思路，课程标准、教材和实际教学都重点强调“利用混合物各组分性质的差异进行考虑”，例如《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》主题1中的学业要求明确规定：能根据物质性质的差异选择物质分离的实验方法［2］。但是，当考虑物质分离的方案时，首先应关注“混合物各组分的状态（固态、液态、气态）”，若这些组分的状态组合可直接分离（例如“固液”），则可直接选择相应的分离方法（例如过滤），若这些组分的状态组合不可直接分离，则可利用物理方法或化学方法将其转化为可直接分离的状态组合。而传统的“利用混合物各组分性质的差异进行考虑”只是实现“不可直接分离的状态组合转化为可直接分离的状态组合”的一种策略，如果只强调策略本身而忽视了策略所指向的目标，缺乏对目标这一问题成分的分析，会使“物质分离”活动失去方向，必然不利于“物质分离”活动的理解和开展。因此，本文试图基于“将混合物状态组合转化为可直接分离的状态组合”的核心思路，重新建构“物質分离的思维模型”，以提高学生设计和开展相关活动的能力，发展“模型认知”“科学探究”等化学学科核心素养。

1  初级思维模型建构

通过对物质分离活动的具体案例分析，建构了“物质分离的初级思维模型”（见图1）。由图1可知，物质分离活动的第一步为“状态分析”，即分析混合物各组分的状态（固态、液态、气态）。接着，判断欲分离的各组分（这里所谓“组分”，可以是单一物质，也可以是物质组合）间的状态组合能否直接分离。不难理解，不需任何操作，能够天然直接分离的状态组合为“固气”“液气”组合——本文将气体溶于液体的情形视为“质剂（溶质与溶剂）”组合，正因为不需要任何操作，因而对于这两种状态组合，不需要人为地选用分离方法进行分离活动。而不需进行状态转化便可进行分离的状态组合为“固液”和“液液（不互溶）”，本文将这两种情形也视作“可直接分离的状态组合”，可见，“可直接分离的状态组合”以异态组合为主。比较特殊的是，对于“固固（半磁性）”的情况，比如铁粉与锌粉混合物的分离，可利用铁粉与锌粉的磁性差异，使用磁铁进行，亦不需要进行状态转化，本文将这种情形也视作“可直接分离的状态组合”。此外，需要说明的是，此处“半”为泛指，意为部分，如此处理，便于朗读和记忆（下同）。若欲分离的各组分间的状态组合能够直接分离，则需依据“状态组合-直接分离方法”初级对应表（见表1）选用相应的分离方法。对应表的实质是条件性知识，回答了“在什么时候运用某种程序性知识或陈述性知识”的问题［3］，如此将条件性知识用表格的形式进行表征外显，有利于学生通过情境线索精准地提取相应的分离方法。若欲分离的各组分间的状态组合不能够直接分离，则可利用物理方法或化学方法将其转化为可直接分离的状态组合。应优先转化为天然的可直接分离的状态组合（固气、液气），其次才考虑转化为其他可直接分离的状态组合，即“固液”或“液液（不互溶）”组合。毕竟前者完成后就不需要转到“选择相应方法”的环节，后者则还需转到“选择相应分离方法”的环节。

2  初级思维模型的优化

2.1  “原状态组合-直接分离方法”初级对应表的优化

图1所示“物质分离的初级思维模型”在实际运用中的难点与关键点在于“转化为可直接分离的状态组合”环节。前文已提及，应优先将“原状态组合”转化为天然的可直接分离的状态组合（固气、液气），依据这样的思路，可将“液液（可互溶）”原状态组合转化为“液气”状态组合，所对应的分离方法为蒸馏或分馏；可将“气气”原状态组合转化为“液气”状态组合，所对应的一种分离方法为冷凝，亦可将“气气”原状态组合转化为“固气”状态组合，但此种情形在中学阶段较少见，本文不予讨论；可将“固固（半升华）”原状态组合转化为“固气”组合，所对应的分离方法为升华。此前所列的三种原状态组合“液液（可互溶）”“气气”“固固（半升华）”，因其状态转化和分离过程合一，本文将其视为广义的“可直接分离的状态组合”，并添加入表1形成表2“原状态组合-直接分离方法”对应表。这样，在“判断能否直接分离”这一环节时，针对这四种情形，学生就可以利用表2迅速完成任务，而不需要进入到“转化为可直接分离的状态组合”环节。此外，需要强调的是，表2“直接分离方法”一列中，蒸馏或分馏、冷凝、升华都有标注各自方法产生的策略，这样处理是希望学生在使用该表时，不要机械记忆，而应结合策略理解对应的分离方法。

2.2  “原状态组合-转化方法”对应表的建构

对于广义“可直接分离的状态组合”之外的其他状态组合，就需要依据具体的真实情境，进行“转化为可直接分离的状态组合”环节。针对中学化学教学实际，本文重点分析了“原状态组合”为“固固”“质剂或质质”这两种相对常见的情况，得出相应的转化方法（见表3），并在此基础上对图1所示的物质分离的初级思维模型进行优化得到如图2所示的物质分离的思维模型。这里的“固固”是除去“固固（半升华）”“固固（半磁性）”特殊情况之外的常规“固固”情形。“质剂或质质”中“质”代表“溶质”，“剂”代表“溶剂”（本文主要讨论溶剂为液体的情况），之所以把“质质”和“质剂”放在一起讨论，是因为它们的处理方式大致相同，因此，本文主要讨论“质剂”情况。“质质”情况的处理可参照“质剂”的处理方式。

对于“固固”原状态组合，通常将其转化为“固液”状态组合以实现混合物的分离，即将其中一种组分转化成液态或者进入溶液。至于转化方法的具体选用，需依据物质各组分性质的差异，选择不同的转化方法。若固体混合物各组分的溶解度差异较大，即部分可溶、部分难溶，则可使用溶解的方法使混合物转化为“固液”状态组合，这种方法需要考虑被溶解组分的复原问题。若固体混合物各组分皆可溶但其溶解度随温度变化差异较大，可使用溶解的方法使混合物转化为“质质”状态组合，再进行相应处理。若固体混合物各组分的化学性质差异较大，即其一可与某种液体（含溶液）发生化学反应，而另一组分无法与该种液体发生化学反应，则可使用加入该种液体的方法。当然，这种方法也要考虑被转化组分的复原问题，若不易复原，可另觅他法。若固体混合物各组分的熔点差异较大，也可考虑通过加热的方法使其中熔点低的组分先变成液态，从而实现“转化为‘固液’状态组合”的目的，当然，前提是两种组分不易受热分解。这种方法在中学不常用，因此没有列入表3中，但在实际教学中可用于拓展学生的思维。此外，对于某些特殊情况，可用化学方法使“固固”原状态组合转化为“固气”状态组合，例如氯化钠与氯化铵固体混合物的分离，可使用加热的方法使氯化铵固体全部分解为气体，后续再使分解的气体重新化合成氯化铵固体，实现物质分离的目的。

对于“质剂”原状态组合，欲将其转化为可直接分离的状态组合，中学阶段常见的处理方法是将其转化为“固液”或“液气（或固气）”状态组合。对于前者，如果溶质的溶解度随温度变化较大，可采用蒸发浓缩、冷却结晶的方法；还可使用合适的沉淀剂使溶质从溶液中沉淀出来，这种方法要考虑被转化组分的复原问题。欲将“质剂”原状态组合转化为“液气（或固气）”状态组合，如果溶质不易挥发，可采用蒸发结晶的方法使溶剂转化为气体（未列入表格）；如果溶质易挥发，可使用加热（或蒸馏）的方法使溶质转化为气体，但不适用于恒沸溶液，此种情形与“液液（可互溶）”有所重合；还可使用合适的试剂使溶质转化为气体从溶液中分离出来，这种方法需要考虑被转化组分的复原问题。此外，还可使用萃取的方法，使“质剂”原状态组合转化为“液液（不互溶）”状态组合。对于“质质”原状态组合，可参考“质剂”原状态组合的处理方式，其不同之处主要在于需根据溶质的性质差异来实现分批次转化。

此外，本文想说明两点：其一，对于“气气”原状态组合，亦可使用洗气（原理为溶解或与洗气液发生化学反应）的方法将“气气”原狀态组合转化为“液气”状态组合，但后续需考虑液体中原组分的复原与二次分离的问题，没有冷凝的方法简便，因而没将洗气的方法列入表3中；其二，对于“气气”和“质质”原状态组合的混合物，还可使用色谱法（亦称层析法）进行分离，但因中学阶段对其要求不高，故而不列入相关对应表中，实际教学中可适当介绍，以拓展学生视野。

3  思维模型的应用建议

在课堂教学中引导学生建构和使用“物质分离的思维模型”时，应突出“状态组合”的转化观，形成“利用物质性质差异将混合物状态组合转化为可直接分离的状态组合”的核心思路，以此统摄“物质分离的思维模型”及相关的对应表，实现“物质分离的思维模型”的深度理解和迁移应用［4］。应杜绝机械记忆，以免增加学生的学习负担。

“物质分离的思维模型”蕴含程序性知识，应给学生创设足够的机会使其在不同的问题情境中运用，以促进该思维模型的内化与自动化，实现程序性知识由“技术的知识”转化为“实践的知识”［5］。“物质分离的思维模型”中的对应表是一类条件性知识，应帮助学生真正理解“方法应用的情境”与“方法”之间的内在逻辑关联，辨别“方法应用的情境”之间的差别，实现条件性知识的精准应用。对应表的教学应遵从循序渐进的原则，例如“原状态组合-直接分离方法”对应表的教学，可先引导学生建构初级对应表，再向完整的对应表进阶。

应灵活运用对应表，可视具体情况自行调整与增减。教学中应突显重点分离方法和转化方法，不应过分追求全面系统。思维模型及对应表的使用可拓展到除杂、提纯活动，因为分离与除杂、提纯的核心思路是一致的，主要差别仅在于后者不需要考虑杂质组分的复原问题。

本文仅是基于“混合物状态组合转化的视角”探讨物质分离的思路，在指导学生进行物质分离活动时，还应结合其他视角进行分析，例如：分离操作是否简单、快捷？分离方案是否经济、高效？从而更切合真实情境的需要。

参考文献：

［1］沈从超. 高考题中的物质分离与提纯［J］. 化学教学， 2008， （3）： 53～55.

［2］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 14.

［3］Bruning R.H.， Schraw G.J.， Norby M.M.， et al.. Cognitive psychology and instruction ［M］. New Jersey： Pearson Prentice Hall， 2003： 87.

［4］陈进前. 关于化学认识模型的思考［J］. 中学化学教学参考， 2020， （9）： 1～4.

［5］周志平. 论程序性知识及其教学［J］. 教育理论与实践， 2001， （4）： 50～53.